大面积狭缝式涂布工作台的设计与分析

0 引言

狭缝式涂布（Slot Die Coating）作为一种精密涂布方式，其具备涂布效率高，涂布膜层厚度范围广，涂布膜层均匀性高，涂布面积大等显著优点，现已广泛应用于胶卷制造、太阳能电池制造、锂电池电极制造等领域，近年来在平板显示等大面积基板涂布领域也展现出了明显的技术优势[1～4]。相比于传统应用领域，平板显示光阻涂布等大面积基片涂布具有涂布面积极大，涂布效率及膜厚均匀性要求高等特点，相对应的对涂布设备工作台的性能要求较高。目前常规涂布工作台的工作行程可以满足大面积涂布需求，但是动态运动性能较差，导致涂布效率低下，无法满足大规模生产涂布要求，因此本文针对平板显示光阻涂布等大面积基片涂布领域的实际需求，设计了可实现大规模生产的精密狭缝式涂布工作台，并利用有限元分析软件ANSYS Workbench对工作台的关键结构部件进行了静力学与动力学分析。

1 工作台结构设计

根据狭缝式涂布的原理，为达到平板显示光阻涂布领域所要求的微米尺度膜厚以及高均匀性，高生产效率的涂布要求，涂布工作台必须具备高的运动速度和加速度，同时具备极高速度稳定性。为达到以上指标，涂布工作台总体采用双路直线电机的驱动方式和气浮导轨的导向方式，如图1所示，涂布工作台由龙门滑台组件，直线电机组件，气浮导轨组件，基片台，光栅尺组件，底座等组成。采用直线电机驱动方式最大限度地减少了传动环节的迟滞，为到达高的响应速度提供了基础保证；相比于常规单路布置形式，采用双路并联的对称布置形式不仅使驱动力翻倍，同时使驱动力的作用位置更接近运动部件重心，进一步提高了工作台的响应速度。工作台的龙门滑台组件和气浮导轨滑套等全部运动部件采用SiC工程陶瓷材料制造。SiC陶瓷材料的比刚度明显大于大理石、铝合金等传统材料，在刚度指标相同的情况下，可以最大限度的降低移动部件质量，从而获得极佳的运动性能[5]。涂布工作时，基片台通过真空负压将基片固定，龙门滑台组件由两侧双路直线电机驱动，带动涂布模头对基片进行一维扫描运动从而完成涂布。涂布工作台有效涂布面积为1000mm×750mm，最高运动速度为500mm/s，最大加速度可达1g（g=9.8m/s2），最大负载质量为1000kg，可满足4.5代线TFT-LCD等平板显示领域的大规模涂布生产要求，同时可满足米级尺寸光学元件光学膜的涂布要求。

图1 工作台三维结构模型

2 工作台龙门滑台组件静力学分析

龙门滑台组件作为运动部件的主要组成部分，为了保证工作台具有极高的动态响应能力，其应最大程度的减轻自重，因此在设计时对龙门滑台组件的横梁及两侧立柱均进行了轻量化结构设计，其轻量化结构如图2所示。另一方面龙门滑台组件作为涂布模头的安装平台，会受到涂布模头的重力载荷和自身的重力载荷，从而产生结构变形，进而会导致涂布模头的变形，影响涂布质量，因此龙门滑台组件在减少自重的同时还要保证足够的静态刚度。

图2 龙门滑台组件结构模型

对于高质量狭缝式涂布，要求涂布模头安装部件在涂布工作时的变形量应小于1微米，为验证龙门滑台组件轻量化结构的静态刚度性能，利用有限元分析软件ANSYS Workbench对龙门滑台组件进行了静力学分析。在分析时，设定SiC陶瓷材料密度为3200kg/m，弹性模量为400Gpa，泊松比为0.17；对龙门滑台横梁与立柱接触面采用绑定设定，在龙门横梁前侧面施加涂布模头的等效重力载荷，载荷数值按照750mm长度标准涂布模头重量计算，同时整个有限元模型设定向下的重力加速度并在立柱底面施加固定约束作为边界条件，经求解后得到龙门滑台组件的最大变形量仅为407.74nm，满足高质量涂布所需的低于1um变形量要求，龙门滑台组件的变形分布如图3所示。

图3 龙门滑台组件变形云图

3 工作台运动部件模态分析

对于平板显示领域涂布，其对工作台的定位要求较低，但要求工作台具备极高的动态性能，一方面工作台的匀速运动时速度波动应低于0.1%@200mm/s，另一方面为保证涂布生产效率，工作台在额定负载下要具备极高的加速能力，这样就要求涂布工作台具备较高的响应速度和伺服控制带宽，相对应的工作台运动部件应具有足够高的固有频率[6]。考虑到工作台运动时会受到外界振动等扰动，为保证上述动态运动性能指标，工作台运动部件的一阶固有频率应达到300Hz。

为验证本涂布工作台的动力学特性，利用ANSYS Workbench软件对工作台的运动部件进行了模态分析。工作台运动部件由龙门滑台和气浮导轨滑套组成，整个运动部件由气膜支撑，可视为悬浮状态，因此在模态分析时采用自由边界条件。运动部件各零件之间均采用螺栓固定，在ANSYS Workbench软件中各接触面采用绑定处理设定。计算时，选择前十二阶模态进行分析，其中前六阶模态对应自由边界条件下运动部件的六个自由运动，第七阶至第十二阶模态才是运动部件实际的前六阶模态[7]，经求解后运动部件的前十二阶固有频率为0Hz、0.003Hz、0.008Hz、0.014Hz、0.017Hz、0.020Hz、491.64Hz、666.47Hz、776.32Hz、1043.70Hz、1484.7Hz、1496.3Hz，由此可知运动部件实际的一阶固有频率为491.64Hz，满足一阶固有频率高于300Hz的要求，图4给出了运动部件实际的前六阶模态振型。

图4 工作台运动部件模态振型

4 结论

设计了应用于平板显示光阻涂布等大面积基片涂布领域的工作台，对龙门滑台组件的静力学仿真分析显示，其轻量化结构设计满足精密狭缝涂布的形变要求；对运动部件的模态分析结果显示，工作台运动部件具有高于300Hz的一阶固有频率，能够满足大面积狭缝涂布对工作台高动态响应的要求。本工作台静力学和动力学性能均能满足高精密狭缝式涂布要求，为狭缝式涂布在大面积基板涂布领域的应用提供了技术保证。

参考文献：

[1]迟彩霞.狭缝式涂布技术的研究进展[J].应用化工,2016,45(2):360-363.

[2]徐方超,李增辉,兰红波.狭缝涂布理论建模与数值模拟[J].青岛理工大学学报,2014,35(5):110-114.

[3]Chang J, Lin Z, Li J, et al. Enhanced polymer thin film transistor performance by carefully controlling the solution self-assembly and film alignment with slot die coating[J].Advanced Electronic Materials，2015,1(7):1500036-1500040.

[4]Vak D , Hwang K, Faulks A, et al. Solar cells 3D printer based slotdie coater as a Lab-to-Fab translation tool for solution-processed solar cells[J].Advanced Enegy Materials,2015,5(4):1401539-1401547.

[5]钟黔,洪荣晶,黄筱调.基于ABAQUS的高加速高精度定位气浮平台有限元分析[J].机械设计与制造,2016,(4):137-140.

[6]徐登峰,赵冶.超精密运动平台高动态性能运动部件的研究[J].设计与研究,2009,(7):37-40.

[7]宛敏红,李冶夫,张杰.超精密气浮定位平台动力学特性分析[J].机械设计与制造,2011,(1):219-221.